電力通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

張國豪，韓 方

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210000；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京市江北新區(qū)供電分公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)朝著數(shù)字化、智能化發(fā)展，電力通信技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用變得越來越重要。電力通信技術(shù)不僅能支持電網(wǎng)的基本運(yùn)行，而且在遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障檢測和處理、智能電表讀取等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。盡管電力通信技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢，但如何選擇和設(shè)計(jì)適合特定應(yīng)用場景的電力通信技術(shù)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

1 智能電網(wǎng)與電力通信技術(shù)概述

1.1 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)是一種集信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)以及先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)于一體的現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)施與用戶之間的雙向通信與控制。其核心特征包括智能化、互動(dòng)性、環(huán)保性以及高效性。智能電網(wǎng)內(nèi)置眾多的傳感器和智能電子設(shè)備，能實(shí)時(shí)地監(jiān)控、分析及處理電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)自我診斷和自我修復(fù)。互動(dòng)性使用戶能積極參與電力生產(chǎn)、消費(fèi)、節(jié)能等環(huán)節(jié)，滿足個(gè)性化的電力需求。此外，智能電網(wǎng)的環(huán)保性體現(xiàn)在廣泛接納和支持清潔能源，如太陽能、風(fēng)能，有助于減少碳排放并優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)[1]。智能電網(wǎng)的高效性是通過先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備和管理方式來提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低電力損耗，確保電力供應(yīng)的可靠性。

1.2 電力通信技術(shù)

電力通信技術(shù)指在電力系統(tǒng)中，采用各種通信技術(shù)（如光纖通信、無線通信、電力線通信等）進(jìn)行信息傳輸和數(shù)據(jù)交換的一種技術(shù)。它主要包括電力遠(yuǎn)程通信、電力自動(dòng)化通信以及電力數(shù)據(jù)通信等類型。電力遠(yuǎn)程通信主要用于電力系統(tǒng)內(nèi)部的通信業(yè)務(wù)，如調(diào)度通信、管理通信等。電力自動(dòng)化通信主要用于配電自動(dòng)化、變電自動(dòng)化、電廠自動(dòng)化等業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集。電力數(shù)據(jù)通信則主要用于采集、傳輸及處理電力系統(tǒng)的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，如電壓、電流、功率等參數(shù)和報(bào)警信息等。它是電力系統(tǒng)監(jiān)控和管理的重要手段，可確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

2 電力通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的關(guān)鍵應(yīng)用

2.1 智能電表與遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)

2.1.1 智能電表的原理與功能

智能電表是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，可以實(shí)時(shí)、精確地測量和記錄電能消耗。通過內(nèi)置的通信模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析等功能，為電網(wǎng)運(yùn)營商提供重要的數(shù)據(jù)支持，為用戶提供便利的電能管理服務(wù)。

智能電表工作原理如圖1 所示。

圖1 智能電表工作原理

智能電表通過采樣電路獲取電網(wǎng)的電壓和電流信號，然后經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。經(jīng)過微處理器處理和計(jì)算數(shù)字信號，得到有功電能、無功電能、功率因數(shù)等電力參數(shù)。

在功能上，智能電表具有多項(xiàng)優(yōu)越特性。首先，智能電表具備電能測量功能，可以實(shí)時(shí)、精確地測量電能消耗，支持正向有功電能、反向有功電能、無功電能、高峰電能、低谷電能、尖峰電能以及平段電能的分時(shí)段測量，還支持多用戶共表測量。其次，智能電表具備遠(yuǎn)程抄表功能，通過內(nèi)置的通信模塊將電表數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)匠碇行模蟠筇岣叱砉ぷ鞯男蔥2]。最后，智能電表還具備預(yù)付費(fèi)、遠(yuǎn)程控制、故障檢測與報(bào)警等功能，可滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行和用戶電能管理的多樣化需求。

2.1.2 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)是智能電表系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)對分布在各地的智能電表進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和命令下發(fā)。其結(jié)構(gòu)通常包括抄表中心、通信網(wǎng)絡(luò)以及智能電表等，如圖2 所示。

圖2 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

抄表中心是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)管理和控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。通過數(shù)據(jù)采集服務(wù)器接收和處理從智能電表傳送過來的各種數(shù)據(jù)，如電能消耗數(shù)據(jù)、電表狀態(tài)數(shù)據(jù)等，同時(shí)向智能電表下發(fā)各種控制命令。抄表中心還能進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和分析，生成各種報(bào)表，為電力運(yùn)營商的決策提供支持。

通信網(wǎng)絡(luò)是抄表中心和智能電表之間的連接通道。根據(jù)實(shí)際需求和環(huán)境條件，通信網(wǎng)絡(luò)可采用各種通信技術(shù)，如有線通信技術(shù)、無線通信技術(shù)以及電力線載波通信技術(shù)等。

智能電表是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的末端設(shè)備，主要負(fù)責(zé)電能測量和信息采集。每個(gè)智能電表都有一個(gè)或多個(gè)通信接口，通過這些接口與通信網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和命令接收。

良好的通信技術(shù)可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，提高抄表的準(zhǔn)確性和效率。同時(shí)，要考慮通信技術(shù)的選擇對通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)行成本的影響，及其對電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性[3]。例如，對于分布范圍廣、地理環(huán)境復(fù)雜的電網(wǎng)，可考慮采用無線通信技術(shù)；對于密集城市區(qū)域，可考慮采用有線通信技術(shù)或電力線載波通信技術(shù)。

2.2 智能配電網(wǎng)通信技術(shù)

2.2.1 智能配電通信設(shè)備與通信協(xié)議

智能電表、配電自動(dòng)化設(shè)備（如遠(yuǎn)程終端單元、智能開關(guān)等）、分布式能源系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備等智能配電設(shè)施是構(gòu)成智能電網(wǎng)的核心部分。這些設(shè)備可以實(shí)時(shí)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、快速定位以及處理故障，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率和安全性。

設(shè)備間的通信主要依賴IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)、Modbus協(xié)議、分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議3（Distributed Network Protocol 3，DNP3）以及ZigBee 協(xié)議。IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)專為電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)立，定義電力系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)模型、服務(wù)和設(shè)備間的通信協(xié)議，可提升設(shè)備互操作性，減少對設(shè)備供應(yīng)商的依賴，降低系統(tǒng)集成復(fù)雜性。Modbus 協(xié)議主要用于智能電表、遠(yuǎn)程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）等設(shè)備的通信，是工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的重要通信協(xié)議。DNP3 是開放協(xié)議，主要用于電力系統(tǒng)自動(dòng)化，支持事件驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，保證設(shè)備間的可靠通信[4]。ZigBee 是一種低功耗的無線通信技術(shù)，主要用于家庭能源管理系統(tǒng)和電力負(fù)荷控制，適合短距離、低數(shù)據(jù)量的通信。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

智能配電網(wǎng)中，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控主要依賴于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)和各類智能傳感器設(shè)備。實(shí)際應(yīng)用中，為有效采集數(shù)據(jù)，需要確定合適的采樣間隔Δt，一般根據(jù)采樣定理來計(jì)算。采樣定理的表達(dá)式為

式中：Fs為采樣頻率，F(xiàn)max為被采樣信號的最大頻率。

Δt一般為Fs的倒數(shù)，即

結(jié)合采樣公式，根據(jù)電力系統(tǒng)的狀態(tài)變化和采樣精度要求，確定合適的采樣間隔[5]。為去除采集數(shù)據(jù)中的噪聲和誤差，需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。常用的濾波算法包括移動(dòng)平均濾波、中值濾波等。通過一系列處理，可有效采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控智能配電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.3 應(yīng)用實(shí)例

以某城市的智能配電網(wǎng)為例，采用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控技術(shù)對各個(gè)配電站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，包括電流、電壓、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。其中，電流和電壓的監(jiān)控尤其重要，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理電網(wǎng)異常，避免嚴(yán)重的供電問題。某日該城市A、B、C 配電站點(diǎn)的電網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 某日智能配電網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

由表1 可知，對于配電站點(diǎn)A 和B，全天的電流、電壓及功率因數(shù)都處于正常范圍內(nèi)；對于配電站點(diǎn)C，盡管大部分時(shí)間其電流、電壓及功率因數(shù)都處于正常范圍，但在12:00，電流升高至390 A，同時(shí)功率因數(shù)降低到0.90，超出正常的運(yùn)行范圍，因此系統(tǒng)將其標(biāo)記為異常狀態(tài)。

該異常可能是由于該時(shí)間段內(nèi)配電站點(diǎn)C 的負(fù)載突然增加，或者配電設(shè)備出現(xiàn)故障等。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)檢測到此類異常情況時(shí)，及時(shí)向運(yùn)維人員發(fā)出警報(bào)，以便采取必要的故障排除措施，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理電網(wǎng)運(yùn)行異常，可以避免故障范圍擴(kuò)大，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

3 結(jié) 論

隨著科技的進(jìn)步和電力行業(yè)的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)已成為電力系統(tǒng)的重要組成部分。電力通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中起著至關(guān)重要的作用。無論是智能電表的應(yīng)用，還是智能配電網(wǎng)的建設(shè)，都離不開電力通信技術(shù)的支持。通過深入分析智能電表與遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、智能配電網(wǎng)通信技術(shù)，探討電力通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的關(guān)鍵應(yīng)用，研究結(jié)果表明，電力通信技術(shù)可以有效提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，同時(shí)為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供有力保障。未來，電力通信技術(shù)將在智能電網(wǎng)中發(fā)揮更大的作用，對智能電網(wǎng)的發(fā)展起到推動(dòng)作用。